Apuntes de ciencia, Manuel Asorey

El último eslabón de la materia: El bosón de Higgs.

El último eslabón de la materia: El bosón de Higgs.

 En el año 1964 la carrera espacial está en su apogeo, los Beatles triunfan en todo el mundo y ha comenzando la escalada de la guerra de Vietnam. Mientras tanto en Edimburgo, un joven físico  teórico, Peter Higgs se encuentra investigando  un tema que atrae desde hace algún tiempo la atención de sus colegas en medio mundo. El problema de cómo hacer compatible que las interacciones nucleares sean de corto alcance, ya que apenas se manifiestan fuera del núcleo atómico, mientras que las interacciones electromagnéticas y gravitatorias se atenúan más lentamente con la distancia, siguiendo las leyes de Coulomb y Newton, proporcionalmente al inverso del cuadrado de la distancia. Al mismo tiempo en Bruselas dos colegas suyos Robert Brout  y François Englert se encuentran dándole vueltas al mismo círculo de ideas. No son los únicos, también en Londres otros tres físicos teóricos, Thomas Kibble, Gerald Guralnik y Carl Hagen siguen las noticias que vienen de más allá del océano Atlántico que relacionan dicha teoría con la ruptura de simetrías de los grados de libertad internos de las partículas subatómicas.  Desde Moscú a San Francisco pasando por Tokio, numerosos investigadores tratan de hallar la solución al problema de auto-consistencia de la teoría cuántica de las interacciones nucleares. Todos ellos encontraron que la respuesta satisfactoria se encuentra en un mecanismo inspirado en la teoría de la superconductividad, como había sugerido Philip Anderson. En los materiales superconductores debido al efecto Meissner los campos electromagnéticos no pueden propagarse libremente. Una manera de interpretarlo es pensando que el fotón adquiere una masa efectiva no nula en dichos metales, lo que hace que la interacción electromagnética tenga un corto alcance.

Las ideas de Brout, Englert y Higgs proporcionaron las bases para que cuatro años más tarde Steven Weinberg formulase de una forma elegante la teoría completa de la Física de partículas elementales. Por ello recibió el premio Nobel en 1979 junto con los precursores Sheldon Glashow y Abdus Salam.

Esta teoría conocida como Modelo Estándar se mantiene como la única teoría que hasta el momento actual describe perfectamente el mundo subatómico de las partículas fundamentales. Desde su formulación en 1968 se han descubierto 7 partículas desconocidas entonces que encajan en el Modelo. Sin embargo a pesar de que  el mecanismo de Brout, Englert y Higgs se ha revelado como el correcto, no se había podido comprobar si la partícula asociada a dicho mecanismo, el bosón de Higgs, existía en la Naturaleza o no. Esto es lo que finalmente 47 años más tarde dos grupos de investigadores del CERN han podido comprobar de forma inequívoca: dicha partícula existe y se comporta como los teóricos habían predicho casi medio siglo antes.

En ese sentido se han batido muchos records. La predicción de Higgs hasta el presente es la que más  ha tardado en confirmarse experimentalmente en el mundo subatómico de la física de partículas. En segundo lugar para hallar al bosón de Higgs se ha tenido que utilizar el instrumento científico más grande de la historia, el acelerador LHC del CERN. Éste consiste en un circuito circular, vacío, de 27 kilómetros de longitud en el que dos haces de protones se aceleran hasta velocidades próximas a la de la luz, mediante campos electromagnéticos generados por imanes superconductores y se hacen chocar entre sí. En esos choques los componentes de los  protones se desintegran en numerosas partículas y en algunos casos se produce un bosón de Higgs. Para hacerse una idea de lo complicado que ha resultado el descubrimiento de dicha partícula hay que recordar que los dos grandes aceleradores previos habían fracasado en el intento. El LEP del CERN, situado en las afueras de Ginebra y alojado en el mismo túnel que posteriormente ocuparía el LHC y el TEVATRON del laboratorio nacional de los EEUU, Fermilab, situado en las afueras de Chicago, fueron incapaces de encontrar dicha partícula, bautizada por eso como la partícula maldita. Como en una versión moderna de la fábula de la zorra y las uvas. Sin embargo en este caso el adjetivo, que en inglés se escribe Goddamn (goddamn particle), se transformó por la magia del mundo editorial en el posesivo God (God particle, partícula de Dios) y dio lugar a una expectación todavía mayor de la búsqueda. El tercer record ha sido el impacto que su descubrimiento ha suscitado en los diversos medios de comunicación. Hasta el 4 de julio de 1912 ninguna noticia científica había acaparado las portadas de los diarios y noticieros de todo el mundo, como lo hizo ese día el descubrimiento del bosón de Higgs. Las radios y televisiones de casi todos los países abrieron sus informativos con esta noticia y  pregonaron en sus avances la relevancia del gran descubrimiento.

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Peter Higgs y François Englert en 2013

Los pioneros Englert y Higgs fueron galardonados un año más tarde con el Premio Nobel de Física 2013. También recibieron el Premio Príncipe de Asturias, junto con el CERN. En el comité Nobel hubo un debate, que según los rumores motivó el retraso de más de media hora  el anuncio de la resolución, sobre la posibilidad de incluir al CERN entre los galardonados, aunque ello implicase  modificar las reglas de la Fundación Nobel que no  permiten otorgar el premio a instituciones. En el descubrimiento han participado más de 5000 técnicos y científicos entre lo que más de un centenar son españoles.

El hallazgo cierra un ciclo en la física de partículas. Ya no quedan más partículas por descubrir en el Modelo Estándar. Sin embargo, la Naturaleza a veces nos sorprende y puede ocurrir que dicho modelo sea incompleto y que haya algo allende el Modelo Estándar que pueda ser descubierto en los próximos años.

La expectación por el hallazgo del bosón de Higgs no fue exclusivamente periodística. Entre la propia comunidad de físicos había dudas sobre la existencia o no de esa partícula, prevista sólo en base a argumentos de auto-consistencia de la teoría.  En concreto, dado el carácter tan especial de la partícula de Higgs, que la hace diferente de las demás, se analizaron numerosas alternativas en las que no había necesidad de un bosón de Higgs. Los resultados experimentales han confirmado sin lugar a dudas que estamos ante la partícula predicha por Peter Higgs hace casi medio siglo.

La figura siguiente representa la colisión observada en el detector ATLAS, en la que se ha creado una partícula de Higgs, que posiblemente se desintegra en dos partículas del Modelo Estándar y que a su vez se desintegran en otras dos más ligeras, que se ven coloreadas en azul y rojo.

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El mecanismo de Brout-Englert-Higgs se basa en la hipótesis de que el vacío del Modelo Estándar no es trivial. En cierta medida se comporta de forma análoga como si fuese un metal superconductor, pero no para la interacción electromagnética sino más bien  para la interacción que unifica dicha interacción con una de la interacciones nucleares  conocida como interacción débil.

Este vacío del  campo de Higgs se comporta en cierto modo como un nuevo tipo de éter que llena todo el espacio en el que se propagan las partículas. Lo novedoso es que todas las que interaccionan con el adquieren masa, lo que significa que sus propias ondas se desvanecen y no se propagan hasta el infinito. Solamente algunas partículas  permanecen insensibles al campo de Higgs,  se quedan sin masa y  propagan sus efectos hasta el infinito. Son los fotones de  las radiaciones electromagnéticas, los gluones de las interacciones nucleares y los gravitones de la Gravitación.

El  hallazgo del Higgs cierra un capítulo de la historia de la Física en el empeño por  descifrar las entrañas de la materia. El Modelo Estándar  explica todos los fenómenos subatómicos simplemente con 12 partículas básicas que constituyen la esencia de la materia, 3 más que constituyen sus radiaciones y son responsables de sus  interacciones y finalmente la partícula de Higgs que está asociada al mecanismo que da masa a todas las demás.

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Imagen del LHC del CERN superpuesta al paisaje donde está enterrado. Al fondo se divisan la ciudad de Ginebra y los Alpes.

Sin embargo, la Naturaleza nos tiene acostumbrados a que al pretender cerrar un capítulo de su análisis, en realidad se está abriendo uno nuevo. El problema es que en estos momentos el Modelo Estándar funciona tan bien que no se vislumbra nada nuevo a la vista con los instrumentos actuales como el LHC, aunque es posible que en los próximos años la situación cambie. Confiemos como Areúsa en La Celestina en que cuando una puerta se cierra, otra suele abrir la fortuna.

De momento las únicas pistas que parecen indicar que todavía puede haber sorpresas están relacionadas con la única interacción que no describe el Modelo Estándar, la interacción de la fuerza gravitatoria. Siendo esta la principal protagonista de la estructura del Universo a grandes escalas, el hecho de que para la descripción de la evolución del mismo se necesite la presencia un nuevo tipo de materia insensible a las interacciones del Modelo Estándar, sugiere que todavía hay algo por comprender en el mundo de la materia. Además, de manera todavía más sorprendente, también se necesita la presencia una energía homogéneamente distribuida por todo el Universo que explique porqué éste se expande aceleradamente. Y es aquí donde realmente se abre una puerta a lo desconocido, puesto que cualquier intento de explicar la presencia de esa energía partiendo del Modelo Estándar proporciona soluciones descabelladas. Confiemos, como  Areúsa en que con fortuna  la Naturaleza nos permita encontrar el próximo eslabón y continuar desvelando sus íntimos secretos.

 

Manuel Asorey
Departamento de Física Teórica de la Universidad de Zaragoza.

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Comentarios

2 comentarios en “El último eslabón de la materia: El bosón de Higgs.

  1. Muy buen artículo sobre el bosson de Higgs, entretenido e instructivo

    Publicado por Sonia | diciembre 19, 2013, 7:31 pm
  2. Buen trabajo divulgartivo del profesor Asorey. Preocupante,con la crisis, el futuro del CERN y de la ciencia básica.

    Publicado por Amadeo Carretero | diciembre 21, 2013, 4:45 pm

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